基于采用相关检测法的漏水检测系统设计

基于采用相关检测法的漏水检测系统设计

收稿日期:2010-07-23;修订日期:2010-10-31

作者简介:刘利（1979-），女，山西芮城人，助教，太原理工大学工学硕士，现工作于西北农林科技大学机电学院，研究方向：机

电系统控制，E-mail ：liuli_ren_79@ 。

刘

利，史颖刚

（西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌712100）

摘要:以弱信号测试系统为基础，利用传感器检测漏水点两侧的振动信号，对该信号放大、滤波后进行相关处理，

求出2个传感器所采集信号的时间差，实现漏水部位定点检测。系统通过前置放大和后级放大分开，减小电缆和漏电的干扰，同时相关算法本身又有较强的抑制干扰和噪声的能力。关键词:漏水检测；振动；管道；相关检测中图分类号:TU991.53文献标识码:A 文章编号:1008-8725（2011）01-0199-03

Design Water Leakage System with Relevant Detection

LIU Li,SHI Ying-gang

（Machinery and Electronics Engineering Institite Northwert A&F University,Yangling 712100,China ）

Abstract:Based on the testing system of the weak signal,the paper uses the sensors to detect the vibration signal of both sides of leaking point,and disposal the signal after amplifying and filtering it,to attain the time difference of the signals collecting from the sensors for achieving the fixed -point detection of leaking point.The system separates the preamplifier and postamplifier,to reduce the interference of the cable and leakage.While the algorithm has a stronger ability of restraining the barrage and noise.

Key words:water leakage;vibration;pipeline;relevant detection

0引言

灌溉用水以及自来水输送管道漏水，是供水和

灌溉中较为严重的问题。

灌溉用水，尤其是干旱半干旱地区的灌溉管道漏水，造成了巨大的资源浪费和

经济损失。

城市供水管网每年漏水量，据统计达到供水量的15%以上。

漏水检测一般分为被动检测和主动检测。被动

检测是接到漏水报告后检测并确定出漏水部位。

主动检测是检测人员按计划按区域主动寻找管线漏点。降低管网漏水损失最直观的途径就是采用主动

检测法。

常用的检测方法有：元素检测法、听音检测法、

区域检漏法、相关检测法。相关检测法是现在比较先进的检测漏水方法，本检测系统采用相关检测法进行设计。

第30卷第1期2011年1期

煤炭技术

Coal Technology

Vol.30,No.01January,2011

发送一个16bit 数据。

4结束语

本系统通过NIOS 自定义IP 核控制USB2.0控

制器CY7C68013，实现了NIOS 系统与PC 机之间的高速数据传输，具有硬件结构简单，软件扩展性强、传输数据准确性高等特点。下传和上传速度分别

为39.7MB/s 和32.2M B/s ，

目前，该方案已应用于激光打标系统中，突破了激光打标数据传输速度的瓶

颈，取得了很好的效果。此外，本方案还可以满足大部分数据采集、移动硬盘、ATA 、DSL 调制解调器等接口的需要。参考文献：

[1]徐光辉，程东旭，黄如.基于FPGA 的嵌入式开发与应用[M].北

京：电子工业出版社，2006.

[2]李英伟，王成儒，练秋生，胡正平.USB2.0原理与工程开发[M].北

京:国防工业出版社，

2006.[3]邓元庆，关宇，贾鹏.数字设计基础M].北京：清华大学出版社，

2006.

[4]孙鑫，余安萍，VC++深入详解[M].北京：电子工业出版社，2008.[5]CY7C68013-A DEMO BOARD 开发文档[EB].http://www.huanor.

com.

[6]Atlater Corporation ，Nios II Processor Reference Handbook [EB].

2005.

（现任编辑张欣）

图3上传数据!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

图1

漏点测定示意图

1相关检测工作原理

当管道漏水时，水与管道的裂口或穿孔处摩擦产生振动，产生频带为几十赫兹到几千赫兹的声音信号，由于土壤介质对高频声音部分有很大的衰减，所以在其传播至地面时声音信号的频带为200Hz ~2

000Hz 。

这一特性为发现漏水，确定漏水部位提供了依据。

漏水声音相对于噪音是独立且连续的，管道漏水声音的传播速度与距漏水地点的距离无关；相关检测就是利用以上特征判断漏水声音，并通过测量其水声的声波和声波的传播速度找到漏点。原理图如图1所示：

A 、

B 为管道两端,L AB 是被测试管道的长度,O 为漏点。L OA 、L OB 分别为漏点距两端的距离(假设L OA >L OB )，设漏水声的速度为V 0。漏水声从漏点O 传到A 点的时间T OA =L OA /V 0，漏水声从漏点O 传到B 点的时间T OB =L OB /V 0，漏水声从漏点O 传到两端的时

间差△T =T OA -T OB =

（L OA -L OB ）/v 0，而L OA +L OB =L AB ，由以上分析可推导得到

L OA =（△T ×V 0+L AB ）/2（1）L OB =（L AB -△T ×V 0）/2（2）

自来水管长度L AB 和漏水声的速度V 0是可知的，因此只要计算出时间差△T ,就可以知道漏点的具体位置了。对两路信号进行相关运算，求出两路信号的相关性。它们之间的相关函数在时域就是时间差的函数，根据漏水声传到管道两端的时间差和漏水声在不同管道中的速度以及管道的总长度，就可以找到漏点的具体位置。

2系统硬件设计

根据上述的相关检测工作原理，设计了漏水检

测系统，系统硬件框架图如图2所示。

数据采集和模数转换主要是通过M SP430单片机实现，其原理如图3所示。

系统采用压电传感器检测沿管道传递的漏水信号，为防止检测到的信号被淹没，采用前置放大器和

后级放大器对信号进行放大。

从噪音和干扰信号中提取出漏水振动信号需要滤波器，当w>w 0时，使用一阶滤波电路滤波的幅频特性衰减太慢，为加快幅频特性衰减速度，获得理想幅频特性，使用赛伦－凯电路进行二阶滤波。又因为漏水信号频率范围在200～2000Hz,，因此设计为四阶切比雪夫低通滤波器和四阶切比雪夫高通滤波器串联组成滤波器电路，滤波器的通带增益为1,带宽1800Hz ，阻带衰减速率为80dB/10倍频程，高低通截止频率为200～2000Hz 。滤波器连接原理框图如图4所示。

数据处理系统是DSP 的一个最小系统，包括数据空间和程序空间的扩展、串口通信部分以及LCD 显示模块。系统硬件原理框图如图5所示。

3

系统软件设计

3.1

数据采集软件设计

数据采集过程分为主机数据采集和从机数据采

集，主机发出控制命令，使主、

从机同时采集并存放数据，然后先将主机数据传送至DSP 处理芯片，再将从机数据经主机传送给DSP 处理芯片。主机与从机的程序流程图如图6和图7所示。3.2数据处理软件设计

采集到的2组样本序列分别是f 1（n ），f 2（n ）根据相关性定理，得离散相关函数的步骤如下：

（1）计算2个样本序列f 1（n ），f 2（n ）的傅立叶F 1（K ），F 2（K

）变换；（2）求R （K ）=F 1（K ）F 2（K ）；（3）求R （K ）的逆傅立叶变换得R （m ）。令时间差为τ，则漏水声的自相关函数为R （τ）。若漏点不在2个传感器正中间，则第一、第二通道中采集到的2个信号的波形及性质是完全一样的，只

是一个信号相对另一个信号有延迟。设第二通道的

煤炭技术第30卷

·200·图2系统硬件框架图

图3系统数据采集原理图

图4滤波器连接原理框图

图5硬件部分原理框图